Блок питания светодиодов с регулировкой яркости
Яркость свечения светодиода зависит от протекающего через него тока. Для питания светодиода требуется обеспечить постоянство значения этого тока. При этом ток должен быть необходимой величины, которая определяется требуемой оптимальной яркостью и цветом свечения светодиода.
Перед выбором драйвера светодиодов необходимо:
– выяснить, что требуется: постоянное напряжение (если нагрузкой является светодиодная линейка) или постоянный ток (если нагрузка — сверхъяркие светодиоды);
– определить выходное напряжение драйвера и/или выходной ток, а также полную мощность;
– определить диапазон входного напряжения;
– уточнить диапазон рабочих температур и требования по защите от воздействий окружающей среды (ingress protection, IP).
– оценить требования к КПД, электробезопасности и электромагнитной совместимости, проверить эти параметры по фирменному описанию (data sheet) драйвера.
Все многообразие решений можно свести к следующим случаям:
1) проектирование и изготовление собственного оригинального драйвера на основе интегральных схем AC/DC- или DC/DC-драйверов светодиодов,
2) выбор готового модульного драйвера (AC/DC или DC/DC).
В первом случае возможно учесть особенности и нюансы конкретного проектируемого светильника, его применения, места установки и т.д. Во втором случае обеспечивается гарантированное качество решения технической задачи и высокая скорость выхода нового светодиодного светильника на рынок. В современных условиях именно скорость выхода на рынок новых востребованных изделий становится важнейшим фактором выживания и сохранения компании.
Проектированию драйверов светодиодов на интегральных схемах посвящено значительное количество статей и технических семинаров. Модульные AC/DC-драйверы светодиодов тоже хорошо известны. А вот модульные DC-DC-драйверы этого типа известны не так широко. Предлагаемый вниманию читателей материал знакомит с модульными DC/DC-драйверами компании PEAK electronics для монтажа на печатную плату, которые предназначены для питания сверхъярких светодиодов.
Применение источников питания с функцией димминга
Ведущие производители источников питания для светотехнических решений в своих разработках применяют два основных интерфейса управления выходным током (димминга): аналоговый и цифровой. Аналоговый — это интерфейс управления, который позволяет изменять значение выходного тока при помощи управляющего напряжения. Цифровой — это интерфейс управления, который позволяет изменять значение выходного тока при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Обобщенная схема светодиодного светильника с функцией управления представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема светодиодного светильника с функцией управления яркостью (диммингом)
Схема состоит из четырех основных блоков: источника питания со стабилизированным выходным током и встроенным интерфейсом управления, матрицы светодиодов, устройства управления и датчика Д. Для построения автономного светодиодного светильника необходим датчик, на основе показаний которого светильник будет включаться/выключаться (датчик движения) или изменять яркость (датчик уровня освещенности). В качестве устройства управления можно применить готовые контроллеры от производителей Philips и Osram или разработать собственное устройство. В таблице 1 приведены параметры источников питания со встроенными интерфейсами для управления выходным током (с диммингом).
Таблица 1. Источники питания для светодиодной техники с интерфейсом управления
Наименование | Производитель | Мощность, Вт | Аналоговый интерфейс | Цифровой интерфейс |
---|---|---|---|---|
LPF-16D-xx | MEAN WELL (MW) | 16 | Да | Да |
LPF-25D-xx | MEAN WELL (MW) | 25 | Да | Да |
EUC-025SxxxDS | INVENTRONICS | 25 | Да | Нет |
EUC-035SxxxDT | INVENTRONICS | 35 | Да | Нет |
HLP-40H-xx | MEAN WELL (MW) | 40 | Да | Да |
LPF-40D-xx | MEAN WELL (MW) | 40 | Да | Да |
HLG-40H-xxB | MEAN WELL (MW) | Да | Да | |
EUC-040SxxxDS | INVENTRONICS | 40 | Да | Нет |
EUC-050SxxxDT | INVENTRONICS | 50 | Да | Нет |
HLP-60H-xx | MEAN WELL (MW) | 60 | Да | Да |
LPF-60D-xx | MEAN WELL (MW) | 60 | Да | Да |
HLG-60H-xxB | MEAN WELL (MW) | 60 | Да | Да |
EUC-075SxxxDT | INVENTRONICS | 75 | Да | Нет |
HLP-80H-xx | MEAN WELL (MW) | 80 | Да | Да |
HLG-80H-xxB | MEAN WELL (MW) | 80 | Да | Да < /font> |
LPF-90D-xx | MEAN WELL (MW) | 90 | Да | Да |
EUC-100SxxxDT | INVENTRONICS | 100 | Да | Нет |
HLG-100H-xxB | MEAN WELL (MW) | 80 | Да | Да |
HLG-120H-xxB | MEAN WELL (MW) | 120 | Да | Да |
HLG-150H-xxB | MEAN WELL (MW) | 150 | Да | Да |
EUC-150SxxxDT | INVENTRONICS | 150 | Да | Нет |
HLG-185H-xxB | MEAN WELL (MW) | 185 | Да | Да |
EUC-200SxxxDT | INVENTRONICS | 200 | Да | Нет |
HLG-240H-xxB | MEAN WELL (MW) | 240 | Да | Да |
HLG-320H-xxB | MEAN WELL (MW) | 320 | Да | Да |
Аналоговый интерфейс управления позволяет регулировать выходной ток (предел ограничения выходного тока) при помощи внешнего управляющего напряжения, которое подается на управляющие выводы источника питания. Управляющее напряжение изменяется в диапазоне от 1 до 10 В, что приводит к изменению выходного тока источника питания. Пример регулировочной характеристики приведен на рисунке 2. Этот график не является общим для всех источников питания с аналоговым интерфейсом управления. Для каждого модуля питания регулировочная характеристика приведена в фирменном описании. В рассматриваемом примере подача максимального управляющего напряжения 10 В обеспечивает 100% значение выходного тока, 5 В на управляющем входе дают 50% выходного тока. Полностью выключить светодиодный светильник, питаемый этим источником, не получится: даже при минимальном управляющем напряжении 1 В выходной ток составит не менее 10% от номинала.
Рис. 2. Управляющая характеристика источника питания с диммингом (на примере HLP-60H-xx)
Все источники питания, у которых есть аналоговый интерфейс позволяют подключать внешний потенциометр. У разных производителей источников питания варианты подключения потенциометра различаются. Так, например, для моделей HLG-xxxH-xxB, LPF-xxD, HLP-xxH-xx компании MEAN WELL внешний потенциометр подключается к выводам управления ADJ1 (синий провод) и ADJ2 (белый провод). К источникам питания EUC-025SxxxDS, EUC-035SxxxDT, EUC-040SxxxDS, EUC-050SxxxDT, EUC-075SxxxDT, EUC-100SxxxDT, EUC-150SxxxDT, EUC-200SxxxDT компании Inventronics необходимо подключить резистивный делитель к выводам OUTPUT 10V (желтый провод), INPUT 1-10V (фиолетовый провод) и GND (зеленый провод).
Модули питания с аналоговым интерфейсом широко применяются в системах освещения с автономным управлением: в системах уличного освещения, подъездного освещения, при освещении парковок и т.д.
Встроенный цифровой интерфейс позволяет управлять значением выходного тока источника питания при помощи широтно-импульсной модуляции. На сигнал управления накладывается следующие ограничения:
- амплитуда сигнала управления должна быть не более 10В,
- частота управляющего сигнала выбирается из диапазона 100Гц…3кГц,
- длительность импульса управления должна быть не меньше 10% от периода следования импульсов.
Соответствие между значением длительности и выходным током можно найти по регулировочной характеристике.
Источники питания с цифровым интерфейсом применяются обычно в светильниках с централизованным управлением: в системах архитектурной подсветки зданий или внутренней подсветки помещений.
Варианты управления яркостью свечения
Управлять яркостью свечения светодиодного светильника можно несколькими способами:
1. Изменяя количество светодиодов
2. Изменяя значение тока, протекающего через светодиоды
3. С помощью симисторного регулятора мощности (TRIAC-диммера).
4. С помощью переменного резистора
Первый способ управления практически не применяется в силу низкой эффективности, поскольку при нем некоторое количество светодиодов не будет использоваться в светильнике в течение всего срока его эксплуатации. Второй способ регулировки яркости применяется достаточно широко — он наиболее оптимален с точки зрения удобства применения и выполнения требований директив по электромагнитной совместимости. Третий и четвертый способы управления яркостью применяется в основном для бытовых нужд ввиду низкой стоимости, большого распространения симисторных регуляторов мощности и удобства интеграции в существующие системы освещения.
Где нужен димминг
Плавная регулировка световым потоком позволяет более полно использовать внешнюю освещенность, снизить затраты на потребляемую энергию, повышая тем самым общую энергетическую эффективность применения подобных систем освещения.
Системы освещения с возможностью димминга удобно применять для освещения автодорог и тоннелей.
Правильно организованное искусственное освещение дорог играет очень важную роль в повышении безопасности дорожного движения. Причем наряду с безопасностью движения требуется соблюдать и требования по энергосбережению при освещении этих объектов. Для обеспечения этих противоречивых требований реализуется автоматическое включение освещения при снижении естественной освещенности до 15…20 лк, отключение — при достижении 10 лк и при этом, в ночное время в определенные часы, когда интенсивность движения ослабевает, предусматривается возможность снижения уровня наружного освещения. Снижение уровня освещения возможно выключением части светильников, но не более половины из них. Если используются мачты с одним светильником на мачте, нарушается равномерность освещения дороги, что может быть неприемлемо. Правильным способом понижения освещенности является уменьшение светового потока каждого светильника до требуемого уровня, при этом выполняются нормы по энергосбережению и качеству освещения дорог.
При освещении тоннелей ситуация усложняется тем, что нужно, ко всему прочему, учитывать адаптивные способности человеческого глаза. Снаружи въезд в тоннель выглядит как черная дыра. Положение исправляется интенсивным наружным освещением, которое плавно уменьшается в переходной зоне въезда. В самом тоннеле реализуется равномерная освещенность с определенным уровнем. Перед выездом из тоннеля необходимо наоборот, повышать уровень освещенности для более безопасного для глаза перехода к дневному свету. Видно, что уровень освещенности зоны въезда-выезда тоннеля «привязан» к естественному внешнему освещению, которое меняется в очень широких пределах: день/ночь. При этих условиях случае очень удобно использовать сигнал с фотодатчика для плавного регулирования освещенности.
Применение систем с диммингом выгодно скажется и в сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) при освещении подъездов, лестничных площадок и т.п. Сейчас применяются светильники на люминесцентных лампах и лампах накаливания, которые работают в круглосуточном режиме. Реально же освещение требуется всего в течение нескольких часов в сутки: когда человек находится в освещаемой зоне и при этом внешнего освещения недостаточно для обеспечения норм по минимальной освещенности. Для реализации адаптивного алгоритма работы светильника необходимо интегрировать в него датчики освещенности, присутствия, цепи управления яркостью, тогда при появлении человека либо плавно, либо мгновенно освещенность будет увеличиваться до требуемого уровня. Конечно, имеются схемотехнические решения, позволяющие регулировать световой поток и люминесцентных ламп, но частое включение-выключение этих ламп приводит к снижению срока службы, увеличению вероятности выхода из строя и требует дополнительных расходов, связанных с их более частой заменой, что экономически невыгодно. В отличие от люминесцентных ламп частое включение-выключение светодиодов не приводит к снижению срока службы и не понижает надежности системы.
Инженер-консультант «Компэл» ОБЮ «Полупроводниковая светотехника». Окончил Рязанский радиотехнический институт по специальности «инженер-радиотехник». Работал инженером-разработчиком ОКБ «Рязанский радиозавод» и ведущим инженером в ООО НПФ «АЛЬФА-ИНТЕК».
Инженер-консультант «Компэл». Окончил Волгоградский государственный университет по специальности «Радиофизика и электроника». Работал ведущим инженером-разработчиком импульсных источников питания.
Управление яркостью свечения светодиодов и дистанционное включение/выключение
Типовая схема включения драйвера PLED приведена на рис. 2. Драйвер можно применить без обвязки, подавая на вход постоянное напряжение 5, 12, 15, 24 или 36 В и получая на выходе стабилизированный ток для питания светодиодов.
Включение входного LC-фильтра не является обязательным, он применяется только в том случае, если перед разработчиком стоит задача удовлетворить требования стандарта CISPR22 по электромагнитному излучению класса B. Производитель драйвера рекомендует номинальное значение индуктивности L не менее 120 мкГ при указанных на рисунке 2 номиналах конденсаторов. Можно увеличить значения емкостей фильтра для уменьшения номинала индуктивности L.
Вывод «Ctrl» (Control — Управление) драйвера PLED служит для дистанционного включения/выключения модуля, а значит, и светодиодов, что востребовано в устройствах с батарейным питанием. Дистанционное включение/выключение можно осуществить сигналом с выхода микроконтроллера или с помощью тумблера. Для включения модуля значение напряжения на входе «Ctrl» должно быть в диапазоне от 0 до 0,6 В, для выключения — в диапазоне от 0,7 до 5 В. Потребление по цепи управления не превышает 1 мА.
Вывод «DIM» предназначен для управления выходным током, т.е. яркостью свечения светодиодов. На этот вывод можно подавать аналоговое управляющее напряжение или сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В первом случае применяется постоянное напряжение в диапазоне 0…4,5 В или 0…5 В в зависимости от модели (см. табл. 1). Пример регулировочной характеристики модуля PLED-300LF представлен на рисунке 3. Регулировочная характеристика линейна в диапазоне управляющих напряжений от 0 до 4 В. Увеличение управляющего напряжения с 4 до 5 В полностью выключает светодиод. Числа у треугольников указывают значение выходного тока при подаче на управляющий вход «DIM» драйвера напряжения 0, 1, 2, 3, 4 или 5 В
В зависимости от скважности ШИМ-импульсов, подаваемых на управляющий вход «DIM», меняется значение выходного тока драйвера и частота вспышек светодиодов. Скважность импульсов можно менять в диапазоне 10—90%, а максимальная частота управляющих ШИМ-импульсов не должна превышать 200 Гц.
Если функции дистанционного включения/выключения или управления яркостью свечения светодиодов не востребованы в конкретной задаче, соответствующие выводы драйвера можно никуда не подключать.
Вся правда о регулировке яркости светодиодных ламп: диммеры, драйверы и теория
Регулировка яркости источников света применяется, для создания комфортной освещенности помещения или рабочего места. Регулировка яркости возможна устройство нескольких цепей, которые включаются отдельными выключателями. В таком случае вы получите ступенчатое изменение освещенности, а также отдельные светящиеся и выключенные лампы, что может вызвать неудобства.
Стильные и актуальные дизайнерские решения включают в себя плавную регулировку общей освещенности при условии свечения всех ламп. Это позволяет создать как интимную обстановку для отдыха, так и яркую для торжеств или работы с мелкими деталями.
Ранее, когда основными источниками света были лампы накаливания и точечные светильники с галогенными лампами проблем с регулировкой не возникало. Использовался обычный 220В диммер на симисторе (или тиристорах). Который обычно был в виде выключателя, с поворотной ручкой вместо клавиш.
С приходом энергосберегающих (компактных люминесцентных ламп), а потом и светодиодных такой подход стал невозможен. В последнее же время подавляющее большинство источников света – это светодиодные светильники и лампочки, а лампы накаливания запрещены для использования в осветительных целях во многих странах.
Занятно то, что на упаковке от отечественных ламп накаливания сейчас указывают что-то вроде: «Электрический теплоизлучатель».
В этой статье вы узнаете о принципе регулирования яркости светодиодов, а также о том, как это выглядит на практике.
Содержание статьи
Теория
Любой полупроводниковый диод – это электронный прибор, который пропускает ток в одном направлении. При этом протекание тока не имеет линейно зависимости от приложенного напряжения, скорее она напоминает ветвь параболы. Это значит, что когда вы к светодиоду приложите малое напряжение – ток протекать не будет.
Ток через него протечет только в том случае, когда напряжение на диоде превысит пороговое значение. Для обычных выпрямительных диодов оно лежит в пределах от 0.3В до 0.8В в зависимости от материала из которого сделан диод. Кремниевые диоды берут на себя около 0.7В, германиевые 0.3В. Диоды Шоттки порядка 0.3В.
Светодиод не стал исключением. Пороговое напряжение белого светодиода около 3В, вообще оно зависит от полупроводника из которого он сделан, от этого зависит и цвет его свечения. Так, на красном светодиоде напряжение около 1.7 В. При достижении этого напряжения начнет протекать ток, и светодиод начнет светиться. Ниже вы видите вольтамперную характеристику светодиода.
Яркость свечения светодиода зависит от силы тока через него. Это отражено на графике ниже.
Яркость идеального теоретического светодиода линейно зависит от тока, но в реальности дела несколько отличаются. Это связано с дифференциальным сопротивлением диода и его тепловыми потерями.
Светодиод – прибор, который питается током, а не напряжением. Соответственно, для регулировки его яркости нужно изменять силу тока.
Разумеется, что сила тока зависит от приложенного напряжения, но как вы можете судить из первого графика, даже незначительное изменение напряжения влечет за собой несоизмеримое увеличение тока.
Поэтому регулирование яркости с помощью простого реостата – занятие бесполезное. В такой схеме, при уменьшении сопротивления реостата светодиод внезапно загорится, а после его яркость незначительно возрастет, далее, при чрезмерном приложенном напряжении, он начнет сильно греется и выйдет из строя.
Отсюда выходит задание: Регулировать ток при определенном значении напряжения с незначительным его изменением.
Способы регулирования яркости светодиодов: линейные «аналоговые» регуляторы
Первое что приходит в голову это использовать биполярный транзистор, ведь его выходной ток (коллектора) зависит от входного тока (базы), включенного по схеме общего коллектора. Мы уже рассматривали их работу в большой статье о биполярных транзисторах.
Вы изменяете ток базы изменяя падение напряжения на переходе эмиттер-база с помощью потенциометра R2, резисторы R1 и R3 нужны для ограничения тока при максимально открытом транзисторе рассчитываются исходя из формулы:
R=(Uпитания-Uпадения на светодиодах-Uпадения на транзисторе)/Iсвет.ном.
Эту схему я проверял, она неплохо регулирует ток через светодиоды и яркость свечения, но заметна некоторая ступенчатость на определенных положениях потенциометра, возможно это связано с тем, что потенциометр был логарифмическим, а возможно из-за того что любой pn-переход транзистора это тот же диод с такой же ВАХ.
Лучше для этой задачи подойдет схема стабилизатора тока на регулируемом стабилизаторе LM317, хотя её чаще применяют в роли стабилизатора напряжения.
Её можно и использовать для получения фиксированного тока при постоянном напряжении. Это особенно полезно при подключении светодиодов к бортовой сети автомобиля, где напряжение в сети при заглушенном двигателе около 11.7-12В, а при заведенном доходит до 14.7В, разница более чем в 10%. Также отлично работает и при питании от блока питания.
Расчёт выходного тока достаточно прост:
Получается достаточно компактное решение:
Этот способ не отличается высоким КПД, он зависит от разницы напряжений между входом стабилизатора и его выходом. Всё напряжение «сгорает» на LM-ке. Потери мощности здесь определяются по формуле:
Чтобы повысить эффективность работы регулятора, нужен кардинально другой подход – импульсный регулятор или ШИМ-регулятор.
Способы регулирования яркости: ШИМ-регулировка
ШИМ расшифровывается, как «широтно-импульсная модуляция». В её основе лежит включение и выключение питания нагрузки на высокой скорости. Таким образом, мы получаем изменение тока через светодиод, поскольку каждый раз на него подается полное напряжение, необходимое для его открытия. Он быстро включается и отключается на полную яркость, но из-за инерционности зрения мы этого не замечаем и это выглядит как снижение яркости.
При таком подходе источник света может выдавать пульсации, не рекомендуется использовать источники света с пульсациями более 10%. Подробные значения для каждого вида помещений описаны в СНИП-23-05-95 (или 2010).
Работа под пульсирующим светом вызывает повышенную утомляемость, головные боли, а также может вызвать стробоскопический эффект, когда вращающиеся детали кажутся неподвижными. Это недопустимо при работе на токарных станках, с дрелями и прочим.
Схем и вариантов исполнения ШИМ-регуляторов великое множество, поэтому все их перечислять бессмысленно. Простейший вариант – это собрать ШИМ-контроллер на базе микросхемы-таймера NE555. Это популярная микросхема. Ниже вы видите схему такого светодиодного диммера:
А вот фактически это одна и та же схема, разница в том, что здесь исключен силовой транзистор и она подходит для регулировки 1-2 маломощных светодиодов с током в пару десятков миллиампер. Также из неё исключен стабилизатор напряжения для 555-микросхемы.
Подробнее про широтно-импульсную модуляцию:
Как регулировать яркость светодиодных ламп на 220В
Ответ на этот вопрос простой: обычные светодиодные лампы практически не регулируются – т.е. никак. Для этого продаются специальные диммируемые светодиодные лампы, об этом написано на упаковке или нарисован значок диммера.
Пожалуй, самый широкий модельный ряд диммируемых светодиодных ламп представлен у фирмы GAUSS – разных форм, исполнений и цоколей.
Устройство диммируемых светодиодных ламп:
Почему нельзя диммировать светодиодные лампы 220В
Дело в том, что схема питания обычных светодиодных ламп построена либо на базе балластного (конденсаторного) блока питания. Либо на схеме простейшего импульсного понижающего преобразователя первого рода. 220В диммеры в свою очередь просто регулируют действующее значение напряжения.
Различают такие диммеры по фронту работы:
1. Диммеры срезающие передний фронт полуволны (leading edge). Именно такие схемы чаще всего встречаются в бытовых регуляторах. Вот график их выходного напряжения:
2. Диммеры срезающие задний фронт полуволны (Falling Edge). Различные источники утверждают, что такие регуляторы лучше работают как с обычными, так и с диммируемыми светодиодными лампами. Но встречаются они гораздо реже.
Обычные светодиодные лампы практически не будут изменять яркость с таким диммером, к тому же это может ускорить их выход из строя. Эффект такой же, как и в схеме с реостатом, приведенной в предыдущем разделе статьи.
Стоит отметить, что большинство дешевых регулируемых LED-ламп ведут себя точно также, как и обычные, а стоят дороже.
Регулировка яркости светодиодных ламп – рациональное решение 12В
Светодиодные лампы на 12В широко распространены в цоколях для точечных светильников, например G4, GX57, G5.3 и другие. Дело в том, что зачастую в этих лампах отсутствует схема питания как таковая. Хотя в некоторых установлен на входе диодный мост и фильтрующий конденсатор, но это не влияет на возможность регулирования.
Это значит, что можно регулировать такие лампочки с помощью ШИМ-регулятора.
Таким же образом, как и регулируют яркость LED-ленты. Простейший вариант регулятора, вот такой вот на проводках, в магазинах они обычно называются как: «12-24В диммер для светодиодной ленты».
Они выдерживают, в зависимости от модели, порядка 10 Ампер. Если вам нужно использовать в красивой форме, т.е. встроить вместо обычного выключателя, то в продаже можно найти такие сенсорные 12В диммеры, или варианты с вращающейся ручкой.
Вот пример использования такого решения:
Ранее применялись галогеновые лампы на 12В их питали от электронных трансформаторов, и это было отличным решением. 12 вольт – это безопасное напряжение. Чтобы запитать эти лампы на 12В электронный трансформатор не подойдет, нужен блок питания для светодиодных лент. В принципе, переделка освещения с галогеновых на светодиодные лампы в этом и заключается.
Заключение
Самым разумным решением регулирования яркости светодиодного освещения является использовании 12В ламп или светодиодных лент. При понижении яркости возможно мерцание света, для этого можно попробовать использовать другой драйвер, а если вы делаете шим-регулятор своими руками – увеличить частоту ШИМ.
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Регулирование яркости светодиодов, принципы ШИМ-регулирования
В некоторых случаях, например, в фонариках или домашних осветительных приборах, возникает необходимость регулировать яркость свечения. Казалось бы, чего уж проще: достаточно изменить ток через светодиод, увеличив или уменьшив сопротивление ограничительного резистора. Но в этом случае на ограничительном резисторе будет расходоваться значительная часть энергии, что совсем недопустимо при автономном питании от батарей или аккумуляторов.
Кроме того, цвет свечения светодиодов будет изменяться: например, белый цвет при понижении тока меньше номинального (для большинства светодиодов 20мА) будет иметь несколько зеленоватый оттенок. Такое изменение цвета в ряде случаев совершенно ни к чему. Представьте себе, что эти светодиоды подсвечивают экран телевизора или компьютерного монитора.
Принцип ШИМ – регулирования
В этих случаях применяется ШИМ – регулирование (широтно - импульсное). Смысл его в том, что светодиод периодически зажигается и гаснет. При этом ток на протяжении всего времени вспышки остается номинальным, поэтому спектр свечения не искажается. Уж если светодиод белый, то зеленые оттенки появляться не будут.
К тому же при таком способе регулирования мощности потери энергии минимальны, КПД схем с ШИМ регулированием очень высок, достигает 90 с лишним процентов.
Принцип ШИМ – регулирования достаточно простой, и показан на рисунке 1. Различное соотношение времени зажженного и погашенного состояния на глаз воспринимается как различная яркость свечения: как в кино – отдельно показываемые поочередно кадры воспринимаются как движущееся изображение. Здесь все зависит от частоты проекции, о чем разговор будет чуть позже.
Рисунок 1. Принцип ШИМ – регулирования
На рисунке изображены диаграммы сигналов на выходе устройства управления ШИМ (или задающий генератор). Нулем и единицей обозначены логические уровни: логическая единица (высокий уровень) вызывает свечение светодиода, логический нуль (низкий уровень), соответственно, погасание.
Хотя все может быть и наоборот, поскольку все зависит от схемотехники выходного ключа, - включение светодиода может осуществляться низким уровнем а выключение, как раз высоким. В этом случае физически логическая единица будет иметь низкий уровень напряжения, а логический нуль высокий.
Другими словами, логическая единица вызывает включение какого-то события или процесса (в нашем случае засвечивание светодиода), а логический нуль должен этот процесс отключить. То есть не всегда высокий уровень на выходе цифровой микросхемы является ЛОГИЧЕСКОЙ единицей, все зависит от того, как построена конкретная схема. Это так, для сведения. Но пока будем считать, что ключ управляется высоким уровнем, и по-другому просто быть не может.
Частота и ширина управляющих импульсов
Следует обратить внимание на то, что период следования импульсов (или частота) остается неизменным. Но, в общем, частота импульсов на яркость свечения влияния не оказывает, поэтому, к стабильности частоты особых требований не предъявляется. Меняется лишь длительность (ШИРИНА), в данном случае, положительного импульса, за счет чего и работает весь механизм широтно-импульсной модуляции.
Длительность управляющих импульсов на рисунке 1 выражена в %%. Это так называемый «коэффициент заполнения» или, по англоязычной терминологии, DUTY CYCLE. Выражается отношением длительности управляющего импульса к периоду следования импульсов.
В русскоязычной терминологии обычно используется «скважность» – отношение периода следования к времени импульса. Таким образом если коэффициент заполнения 50%, то скважность будет равна 2. Принципиальной разницы тут нет, поэтому, пользоваться можно любой из этих величин, кому как удобней и понятней.
Здесь, конечно, можно было бы привести формулы для расчета скважности и DUTY CYCLE, но, чтобы не усложнять изложение, обойдемся без формул. В крайнем случае, закон Ома. Уж тут ничего не поделаешь: «Не знаешь закон Ома, сиди дома!». Если уж кого эти формулы заинтересуют, то их всегда можно найти на просторах Интернета.
Частота ШИМ для светорегулятора
Как было сказано чуть выше, особых требований к стабильности частоты импульсов ШИМ не предъявляется: ну, немного «плавает», да и ладно. Подобной нестабильностью частоты, кстати, достаточно большой, обладают ШИМ – регуляторы на базе интегрального таймера NE555, что не мешает их применению во многих конструкциях. В данном случае важно лишь, чтобы эта частота не стала ниже некоторого значения.
А какая должна быть частота, и насколько она может быть нестабильна? Не забывайте, что речь идет о светорегуляторах. В кинотехнике существует термин «критическая частота мельканий». Это частота, при которой отдельные картинки, показываемые друг за другом, воспринимаются как движущееся изображение. Для человеческого глаза эта частота составляет 48Гц.
Вот именно по этой причине частота съемки на кинопленке составляла 24кадр/сек (телевизионный стандарт 25кадр/сек). Для повышения этой частоты до критической в кинопроекторах применяется двухлопастной обтюратор (заслонка) дважды перекрывающий каждый показываемый кадр.
В любительских узкопленочных 8мм проекторах частота проекции составляла 16кадр/сек, поэтому обтюратор имел аж три лопасти. Тем же целям в телевидении служит тот факт, что изображение показывается полукадрами: сначала четные, а потом нечетные строки изображения. В результате получается частота мельканий 50Гц.
Работа светодиода в режиме ШИМ представляет собой отдельные вспышки регулируемой длительности. Чтобы эти вспышки воспринимались на глаз как непрерывное свечение, их частота должна быть никак не меньше критической. Выше сколько угодно, но ниже никак нельзя. Этот фактор следует учитывать при создании ШИМ – регуляторов для светильников.
Кстати, просто, как интересный факт: ученые каким-то образом определили, что критическая частота для глаза пчелы составляет 800Гц. Поэтому кинофильм на экране пчела увидит как последовательность отдельных изображений. Для того, чтобы она увидела движущееся изображение, частоту проекции потребуется увеличить до восьмисот полукадров в секунду!
Функциональная схема ШИМ – регулятора
Для управления собственно светодиодом используется транзисторный ключевой каскад. В последнее время наиболее широко для этой цели используются транзисторы MOSFET, позволяющие коммутировать значительную мощность (применение для этих целей обычных биполярных транзисторов считается просто неприличным).
Такая потребность, (мощный MOSFET - транзистор) возникает при большом количестве светодиодов, например, при использовании светодиодных лент, о которых будет рассказано чуть позже. Если же мощность невелика – при использовании одного – двух светодиодов, можно использовать ключи на маломощных биполярных транзисторах, а при возможности подключать светодиоды непосредственно к выходам микросхем.
На рисунке 2 показана функциональная схема ШИМ – регулятора. В качестве элемента управления на схеме условно показан резистор R2. Вращением его ручки можно в необходимых пределах изменять скважность управляющих импульсов, а, следовательно, яркость светодиодов.
Рисунок 2. Функциональная схема ШИМ – регулятора
На рисунке показаны три цепочки последовательно соединенных светодиодов с ограничивающими резисторами. Примерно такое же соединение применяется в светодиодных лентах. Чем длиннее лента, тем больше светодиодов, тем больше потребляемый ток.
Именно в этих случаях потребуются мощные регуляторы на транзисторах MOSFET, допустимый ток стока которых должен быть чуть больше тока, потребляемого лентой. Последнее требование выполняется достаточно легко: например, у транзистора IRL2505 ток стока около 100А, напряжение стока 55В, при этом, его размеры и цена достаточно привлекательны для использования в различных конструкциях.
Задающие генераторы ШИМ
В качестве задающего ШИМ – генератора может использоваться микроконтроллер (в промышленных условиях чаще всего), или схема, выполненная на микросхемах малой степени интеграции. Если в домашних условиях предполагается изготовить незначительное количество ШИМ – регуляторов, а опыта создания микроконтроллерных устройств нет, то лучше сделать регулятор на том, что в настоящее время оказалось под рукой.
Это могут быть логические микросхемы серии К561, интегральный таймер NE555, а также специализированные микросхемы, предназначенные для импульсных блоков питания. В этой роли можно заставить работать даже операционный усилитель, собрав на нем регулируемый генератор, но это уж, пожалуй, «из любви к искусству». Поэтому, далее будут рассмотрены только две схемы: самая распространенная на таймере 555, и на контроллере ИБП UC3843.
Схема задающего генератора на таймере 555
Рисунок 3. Схема задающего генератора
Эта схема представляет собой обычный генератор прямоугольных импульсов, частота которого задается конденсатором C1. Заряд конденсатора происходит по цепи «Выход – R2 – RP1- C1 – общий провод». При этом на выходе должно присутствовать напряжение высокого уровня, что равнозначно, что выход соединен с плюсовым полюсом источника питания.
Разряжается конденсатор по цепи «C1 – VD2 – R2 – Выход – общий провод» в то время, когда на выходе присутствует напряжение низкого уровня, - выход соединен с общим проводом. Вот эта разница в путях заряда – разряда времязадающего конденсатора и обеспечивает получение импульсов с регулируемой шириной.
Следует заметить, что диоды, даже одного типа, имеют разные параметры. В данном случае играет роль их электрическая емкость, которая изменяется под действием напряжения на диодах. Поэтому вместе с изменением скважности выходного сигнала меняется и его частота.
Главное, чтобы она не стала меньше критической частоты, о которой было упомянуто чуть выше. Иначе вместо равномерного свечения с различной яркостью будут видны отдельные вспышки.
Приблизительно (опять же виноваты диоды) частоту генератора можно определить по формуле, показанной ниже.
Частота генератора ШИМ на таймере 555.
Если в формулу емкость конденсатора подставить в фарадах, сопротивление в Омах, то результат должен получиться в герцах Гц: от системы СИ никуда не денешься! При этом подразумевается, что движок переменного резистора RP1 находится в среднем положении (в формуле RP1/2), что соответствует выходному сигналу формы меандр. На рисунке 2 это как раз та часть, где указана длительность импульса 50%, что равнозначно сигналу со скважностью 2.
Задающий генератор ШИМ на микросхеме UC3843
Его схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема задающего генератора ШИМ на микросхеме UC3843
Микросхема UC3843 является управляющим ШИМ - контроллером для импульсных блоков питания и применяется, например, в компьютерных источниках формата ATX. В данном случае типовая схема ее включения несколько изменена в сторону упрощения. Для управления шириной выходного импульса на вход схемы подается регулирующее напряжение положительной полярности, то на выходе получается импульсный сигнал ШИМ.
В простейшем случае регулирующее напряжение можно подать с помощью переменного резистора сопротивлением 22…100КОм. При необходимости можно управляющее напряжение получать, например, с аналогового датчика освещенности, выполненного на фоторезисторе: чем темнее за окном, тем светлее в комнате.
Регулирующее напряжение воздействует на выход ШИМ, таким образом, что при его снижении ширина выходного импульса увеличивается, что вовсе не удивительно. Ведь исходное назначение микросхемы UC3843 - стабилизация напряжения блока питания: если выходное напряжение падает, а вместе с ним и регулирующее напряжение, то надо принимать меры (увеличивать ширину выходного импульса) для некоторого повышения выходного напряжения.
Регулирующее напряжение в блоках питания вырабатывается, как правило, с помощью стабилитронов. Чаще всего это TL431 или им подобные.
При указанных на схеме номиналах деталей частота генератора около 1КГц, и в отличие от генератора на таймере 555, она при изменении скважности выходного сигнала не «плавает» - забота о постоянстве частоты импульсных блоков питания.
Чтобы регулировать значительную мощность, например, светодиодная лента, к выходу следует подключить ключевой каскад на транзисторе MOSFET, как было показано на рисунке 2.
Можно было бы и побольше рассказать о ШИМ – регуляторах, но пока остановимся на этом, а в следующей статье рассмотрим различные способы подключения светодиодов. Ведь не все способы одинаково хороши, есть такие, которых следует избегать, да и просто ошибок при подключении светодиодов случается предостаточно.
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Одним из важных преимуществ светодиодных светильников по сравнению с традиционными газоразрядными является возможность управления световым потоком. В светодиодном светильнике достаточно легко организовать плавное управление световым потоком (димминг) в автоматическом или ручном режиме в зависимости от условий эксплуатации и назначения осветительного прибора. К условиям эксплуатации можно отнести: изменение уровня естественной освещенности в зависимости от времени суток или погодных условий, присутствие человека в освещаемой зоне, температуру наиболее важных и критичных узлов самого светильника и т.д.
Драйверы светодиодов в модульном исполнении
Производители светотехнического оборудования — специалисты в оптике и освещении. Для создания светодиодного светильника надо разбираться еще и в электронике. Задачу упрощает применение уже готовых модульных светодиодных драйверов, которые работают по принципу «включил и работает» и не требуют для применения глубоких познаний в электронике.
Компания PEAK electronics выпускает три серии модульных DC/DC-драйверов светодиодов: PLED, PLED-S и PLED-T с выходными токами 300, 350, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 или 1200 мА. Уровень выходного тока каждого драйвера можно изменить подачей управляющего напряжения на специальный вывод модуля. PLED — это серия мощных драйверов в стандартном для DC/DC-преобразователей корпусе типа DIP24 (рис. 1), PLED-S и PLED-T — малогабаритные изделия в корпусах типа DIP14 и DIP16 соответственно.
Варианты моделей и параметры драйверов серии PLED приведены в таблице 1. Число в наименовании указывает на значение выходного тока в миллиамперах, суффикс «LF» (Lead Free) означает бессвинцовое исполнение. Основные параметры модулей PLED:
– Диапазон входного напряжения 5…36 В,
– Стабилизированный выходной ток,
– Возможность управления выходным током,
– Диапазон рабочих температур от –40 до 85°С.
Выходная мощность варьирует от 9 до 38 Вт в зависимости от модели. Это значительная мощность для преобразователя, реализованного в компактном корпусе типа DIP24, но драйверы серии PLED имеют высокий КПД до 96% и не требуют специальных мер для отвода тепла.
Драйверы светодиодов в модульном исполнении
Производители светотехнического оборудования — специалисты в оптике и освещении. Для создания светодиодного светильника надо разбираться еще и в электронике. Задачу упрощает применение уже готовых модульных светодиодных драйверов, которые работают по принципу «включил и работает» и не требуют для применения глубоких познаний в электронике.
Компания PEAK electronics выпускает три серии модульных DC/DC-драйверов светодиодов: PLED, PLED-S и PLED-T с выходными токами 300, 350, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 или 1200 мА. Уровень выходного тока каждого драйвера можно изменить подачей управляющего напряжения на специальный вывод модуля. PLED — это серия мощных драйверов в стандартном для DC/DC-преобразователей корпусе типа DIP24 (рис. 1), PLED-S и PLED-T — малогабаритные изделия в корпусах типа DIP14 и DIP16 соответственно.
Варианты моделей и параметры драйверов серии PLED приведены в таблице 1. Число в наименовании указывает на значение выходного тока в миллиамперах, суффикс «LF» (Lead Free) означает бессвинцовое исполнение. Основные параметры модулей PLED:
– Диапазон входного напряжения 5…36 В,
– Стабилизированный выходной ток,
– Возможность управления выходным током,
– Диапазон рабочих температур от –40 до 85°С.
Выходная мощность варьирует от 9 до 38 Вт в зависимости от модели. Это значительная мощность для преобразователя, реализованного в компактном корпусе типа DIP24, но драйверы серии PLED имеют высокий КПД до 96% и не требуют специальных мер для отвода тепла.
Заключение
Одним из важных и неоспоримых преимуществ светодиодных светильников перед традиционными газоразрядными светильниками является возможность управления световым потоком. Причем управляемость — плавная. В светодиодном светильнике можно легко организовать плавное управление световым потоком (димминг) в автоматическом или ручном режиме в зависимости от каких-либо условий. Такими условиями могут быть, например, внешняя освещенность в зависимости от времени суток или меняющихся погодных условий, присутствие человека в освещаемой зоне, температура наиболее важных и критичных узлов самого светильника и т.п.
Применение источников питания с функцией димминга
Ведущие производители источников питания для светотехнических решений в своих разработках применяют два основных интерфейса управления выходным током (димминга): аналоговый и цифровой. Аналоговый интерфейс — это интерфейс управления, который позволяет изменять значение выходного тока при помощи управляющего напряжения. Цифровой интерфейс — это интерфейс управления, который позволяет изменять значение выходного тока при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Обобщенная схема светодиодного светильника с функцией управления представлена на рисунке 1.
Эта схема состоит из четырех основных блоков: источника питания со стабилизированным выходным током и встроенным интерфейсом управления, устройства управления, светодиодного модуля датчика Д. Для построения автономного светодиодного светильника необходим датчик на основе показаний которого светильник будет включаться/выключаться (датчик движения) или изменять яркость (датчик уровня освещенности). В качестве устройства управления можно применить готовые контроллеры от производителей Philips и Osram или разработать собственное устройство.
В таблице 1 приведены параметры источников питания с встроенными интерфейсами для управления выходным током (с диммингом).
Аналоговый интерфейс управления позволяет регулировать выходной ток (границу ограничения выходного тока)при помощи внешнего управляющего напряжения, которое подается на управляющие выводы источника питания. Управляющее напряжение изменяется в диапазоне от 1 до 10 В, что приводит к изменению выходного тока источника питания. Пример регулировочной характеристики приведен на рисунке 2. На графике по оси ординат отложены значения выходного тока в процентах от номинального значения, а по оси абсцисс — значения управляющего напряжения. Этот график не является общим для всех источников питания с аналоговым интерфейсом управления. Для каждого модуля питания регулировочная характеристика приведена в фирменном описании. В рассматриваемом примере подача максимального управляющего напряжения 10 В обеспечивает 95% значение выходного тока, 5 В на управляющем входе дают нам 45% выходного тока. Полностью выключить светодиодный светильник, питаемый этим источником, не получится: даже при минимальном управляющем напряжении 1 В выходной ток составит не менее 5% от номинала.
В некоторых случаях аналоговый интерфейс позволяет подключать внешний потенциометр. У разных производителей источников питания варианты подключения потенциометра различаются. Так, например, для моделей HLG-100H, HLG-120H, HLG-150H, HLG-185H, HLG-240H компании Mean Well внешний потенциометр подключается к выводам управления ADJ1(синий провод) и ADJ2 (белый провод), см. рис.3а. К источникам питания EUC-025SxxxDS, EUC-035SxxxDT, EUC-040SxxxDS, EUC-050SxxxDT, EUC-075SxxxDT, EUC-100SxxxDT, EUC-150SxxxDT, EUC-200SxxxDT компании Inventronics необходимо подключить резистивный делитель к выводам OUTPUT 10V (желтый провод), INPUT 1-10V (фиолетовый провод) и GND (зеленый провод), см. рис. 3б.
Модули питания с аналоговым интерфейсом широко применяются в системах освещения с автономным управлением: в системах уличного освещения, подъездного освещения, при освещении парковок и т.д.
Встроенный цифровой интерфейс позволяет управлять значением выходного тока источника питания при помощи широтно-импульсной модуляции (рис. 4). На сигнал управления накладывается следующие ограничения:
– амплитуда сигнала управления должна быть не более 10 В,
– частота управляющего сигнала выбирается из диапазона 100 Гц…3 кГц,
– длительность импульса управления должна быть не меньше 10% от периода следования импульсов.
Соответствие между значением длительности и выходным током можно найти по регулировочной характеристике. Частный случай регулировочной характеристики приведен на рисунке 5. По оси ординат отложены значения выходного тока в процентах от номинального значения, а по оси абсцисс — значения скважности импульсов.
Источники питания с цифровым интерфейсом применяются обычно в светильниках с централизованным управлением: в системах архитектурной подсветки зданий или внутренней подсветки помещений.
Таблица 1. Источники питания для светодиодной техники с интерфейсом управления
Варианты управления яркостью свечения
Управлять яркостью свечения светодиодного светильника можно несколькими способами:
1. Изменяя количество светодиодов
2. Изменяя значение тока, протекающего через светодиоды
3. С помощью симисторного регулятора мощности (TRIAC диммера).
Первый способ управления практически не применяется, поскольку его реализация весьма дорога и низкоэффективна, поскольку некоторое количество светодиодов не будет использоваться в светильнике в течение всего срока его эксплуатации. Второй способ регулировки яркости светильника применяется достаточно широко, потому что является наиболее оптимальным с точки зрения удобства применения и выполнения требований директив по электромагнитной совместимости. Третий способ управления яркостью применяется в основном для бытовых нужд ввиду низкой стоимости, большого распространения симисторных регуляторов мощности и удобства интеграции в существующие системы освещения.
Читайте также: